Ein Teleskop so gross wie die Erde – Blicken wir schon bald direkt auf ein Schwarzes Loch?

Von den vielen bizarren Dingen, mit denen uns die theoretische Physik in den letzten 100 Jahren konfrontiert hat, gehören „Schwarze Löcher“ wohl mit zu den eigenartigsten. Nachdem Albert Einstein im November 1915 die Grundgleichungen seiner allgemeinen Relativitätstheorie formuliert hatte, dauerte es weniger als ein Jahr, bis die Physiker begriffen, welch dramatische Konsequenzen aus ihnen folgen. So gelang es dem deutschen Astronom Karl Schwarzschild bereits im Jahr 1916, eine Raum-Zeit-Metrik anzugeben, die einer Lösung der Einstein-Gleichungen für das Gravitationsfeld einer punktförmigen Masse beim Nullpunkt (r=0) entspricht. Sie beschreibt eine derartig grosse Krümmung der Raum-Zeit Struktur, dass selbst Licht nicht mehr entweichen kann. Konkret beschreibt hier die Raum-Zeit das, was Physiker eine „Singularität“ nennen: Gängige physikalische Grössen sind nicht mehr als endliche Grössen definierbar, was nichts anderes bedeutet, als dass Raum und die Zeit an dieser Stelle in ihrer gängigen Form zu existieren aufhören. Allerdings ist die notwendige Materiedichte, ab dem ein solches Phänomen auftritt, derart gross (bzw. der sogenannte ‚Ereignishorizont‘, bei dem es einsetzt, derart klein), dass weder Einstein noch Schwarzschild mit dieser Lösung etwas anzufangen wussten (bei der Masse der Erde entspricht der Ereignishorizont einer Kugel mit einem Radius von 9 mm).

So hielten die Astronomen solche Gebilde lange für eine belanglose Kuriosität einer bereits an sich sehr bizarren Theorie. Erst Jahrzehnte später erkannten sie, dass derart hohe Massedichten im Universum tatsächlich auch für grössere Ereignishorizont existieren. So popularisierte der Physiker John Wheeler erst im Jahre 1967 den Begriff „Schwarzes Loch“ für ein solches Gebilde, als er nach einem besseren Wort als „durch Gravitation vollständig kollabiertes Objekt“ suchte. Der erste Kandidat für ein reales schwarzes Loch war „Cygnus X-1“ im Sternbild Schwan, entdeckt 1971.

Die Astrophysiker verstehen die Entstehungsdynamik schwarzer Löcher unterdessen recht gut (wenn auch noch nicht in allen Einzelheiten): Bei allen Körpern führt die Gravitationskraft zu einer Kompression. Je massereicher der Körper, desto stärker die Kompression. Normalerweise wird diese durch Gegenkräfte im Inneren des Körpers – thermodynamischer Druck, Abstossung zwischen den Atomen bzw. Nukleonen oder Fermi-Druck (Elektronen oder Nukleonen können niemals im gleichen Quantenzustand sein)  – aufgehalten, was schliesslich zu einem Gleichgewicht zwischen Gravitation und den Gegenkräften führt. Jenseits einer kritischen Masse reichen die Gegenkräfte allerdings nicht mehr aus, um die Gravitationskraft zu kompensieren. Dann setzt ein vollständiger Gravitationskollaps ein: Die Masse fällt auf ein nahezu verschwindendes Volumen zusammen (dieses erreicht aus der Sicht eines äusseren Beobachters jedoch niemals Null, da die immer weiter ansteigende Gravitation den Raum und den Ablauf der Zeit lokal immer stärker verzerrt, was bedeutet, dass der Kollaps immer langsamer abläuft und sich das Volumen nie auf einen einzelnen Punkt zusammenzieht; zudem beginnen mögliche Quantenprozesse, deren Natur wir noch nicht kennen und die von der allgemeinen Relativitätstheorie nicht mehr beschrieben werden, eine eigene Rolle zu spielen).

Wie wäre es nun mal einen direkten Blick auf ein Schwarzes Loch zu werfen (genauer: auf das Gebiet unmittelbar ausserhalb seines Ereignishorizonts)? Da Schwarze Löcher im kosmischen Massstab sehr klein und sehr weit von der Erde entfernt sind, ist dies äusserst schwierig. Die Herausforderungen sind elementarer optischer Natur: Die Auflösung eines Teleskops hängt  von seinem Linsendurchmesser, der so genannten „Apertur-Blende“, ab (sowie von der Wellenlänge des Lichtes). Grössere Teleskope ermöglichen es, kleinere Strukturen aufzulösen. Beim Blick auf das Schwarze Loch „Sagittarius A*“ (kurz „Sgr A*“) im Herzen unserer Milchstrasse zum Beispiel müsste die Radioschüssel (für die Wellenlängen, die es bis auf die Erdüberfläche schaffen) so gross sein wie die Erde selbst. Denn die Grösse von Sgr A* ist von der Erde aus betrachtet vergleichbar mit der einer Untertasse auf der Mondoberfläche. Doch lässt sich ein Teleskop von der Grösse unseres Planten bauen? Dies ist tatsächlich möglich: Man schliesst einfach mehrere Observatorien zu einem virtuellen Teleskop zusammen. Dieses besitzt dann einen effektiven Durchmesser, der so groß ist wie die Entfernung zwischen den einzelnen Observationspunkten. Sind diese über den ganzen Planten verteilt, hat man die notwendige Grösse für ein Teleskop zusammen, mit dem wir auf die Jagd nach schwarzen Löchern gehen können.

Genau dies ist nun im Rahmen des Projektes „Event Horizon Telescope (EHT)“ geschehen, welches im April 2017 seine Beobachtungsarbeit aufnahm. Allerdings macht das Projekt die Auswertung von immensen Datenbergen erforderlich, nur um bestenfalls ein paar unscharfe, aus wenigen Pixeln bestehende Bilder vom Umfeld des Schwarzen Loches Sgr A* zu erhalten. Doch schon diese könnten Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie auf einen ganz neuen Prüfstand stellen. Schliesslich hat man das Geschehen so nahe an einem derart extremen kosmischen Gebilde bisher noch nie direkt beobachten können. Die Struktur der Raum-Zeit nahe eines Schwarzen Loches macht es auch möglich, dass man seinen gesamten Ereignishorizont beobachten kann, also auch hinter das Schwarze Loch zu blicken vermag. Dies wird dadurch möglich, dass die Gravitation die Raum-Zeit so stark verzerrt, dass Lichtstrahlen um das Schwarze Loch herumlaufen können (diesen Effekt haben auch die Produzenten des Films „Interstellar“ 2014 auf die Leinwand gebracht). Mit ersten Resultaten von EHT ist allerdings erst im Jahr 2018 zu rechnen.

Nun könnte man denken: Warum dieser ganze Aufwand, um eine Theorie zu vermessen, die bisher noch jeden Test einer Messung bis in die letzten Einzelheit bestanden hat? Hier sollte man wissen, dass sich gerade in der theoretischen Beschreibung schwarzer Löcher fundamentale Unterschiede zwischen den beiden Theorien ergeben, die das Fundament der heutigen Physik bilden: die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantentheorie. Bis anhin hatten sie ungestört nebeneinander koexistieren können, die Quantentheorie die atomare Welt des Mikrokosmos beschreibend, die allgemeine Relativitätstheorie den Makrokosmos der Galaxien und das Universum als Ganzes. Beide Theorien in eine einzige Theorie mit Geltungsbereich über sämtliche Skalen hinweg zusammenzubringen, erwies sich mit zunehmenden Bemühungen gar als theoretisch unmöglich (aus Sicht der Quantentheorie ist die allgemeine Relativitätstheorie immer noch eine „klassische Theorie“, die ohne Quantensprünge und Wahrscheinlichkeitswellen auskommt, während aus der Sicht der allgemeinen Relativitätstheorie die Quantentheorie nach wie vor eine „hintergrundunabhängige Theorie“ darstellt, d.h. sie kennt keinen Einfluss von Materie auf die Struktur von Raum und Zeit). Schwarze Löcher fallen nun aber zugleich in den Geltungsbereich von allgemeiner Relativitätstheorie und Quantentheorie und stellen daher einen simultanen Testfall für beide dar. Einen solchen haben Astrophysiker mit vergleichbarer Genauigkeit bisher noch nicht vermessen können. Das führt uns neben der aufregenden Möglichkeit, einmal direkt auf ein derartig bizarres Objekt zu blicken, möglicherwiese zu ganz neuen Einsichten über die Natur unseres Universums.

(siehe auch: http://www.spektrum.de/news/sehen-wir-bald-das-erste-schwarze-loch/1445873)

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wwww.larsjaeger.ch

Jahrgang 1969 habe ich in den 1990er Jahren Physik und Philosophie an der Universität Bonn und der École Polytechnique in Paris studiert, bevor ich am Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme in Dresden im Bereich theoretischer Physik promoviert und dort auch im Rahmen von Post-Doc-Studien weiter auf dem Gebiet der nichtlinearen Dynamik geforscht habe. Vorher hatte ich auch auf dem Gebiet der Quantenfeldtheorien und Teilchenphysik gearbeitet. Unterdessen lebe ich seit nahezu 20 Jahren in der Schweiz. Seit zahlreichen Jahren beschäftigte ich mich mit Grenzfragen der modernen (sowie historischen) Wissenschaften. In meinen Büchern, Blogs und Artikeln konzentriere ich mich auf die Themen Naturwissenschaft, Philosophie und Spiritualität, insbesondere auf die Geschichte der Naturwissenschaft, ihrem Verhältnis zu spirituellen Traditionen und ihrem Einfluss auf die moderne Gesellschaft. In der Vergangenheit habe ich zudem zu Investment-Themen (Alternative Investments) geschrieben. Meine beiden Bücher „Naturwissenschaft: Eine Biographie“ und „Wissenschaft und Spiritualität“ erschienen im Springer Spektrum Verlag 2015 und 2016. Meinen Blog führe ich seit 2014 auch unter www.larsjaeger.ch.

11 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Nach der Theorie verdichtet sich die Materie bis zu einer Singularität.
    Ich könnte mir vorstellen, dass aus einer solchen Sigularität, wenn die Masse genügend groß ist, wieder ein Big Bang entsteht.
    Unser Universum ist also das Ergebnis eines explodierenden Schwarzen Loches. Und damit schließt sich der Kreis.
    Und man kann jetzt diesen Gedanken immer weiter spinnen. Es gibt unzählige schwarze Löcher, die in unendlich langer Zeit sich einander annähern, verdichten, wieder einen Big Bang verursachen usw. ohne Grenzen ohne Zeit.

    • Darf es einen “Small Bang” geben?
      Ansonsten hat Dr. Webbaer dank des bereit gestellten WebLog-Artikels ‘biespielsweise’ gelernt, was einem sog. schwarzen Loch ‘entsprecht’, was es ‘eigenartigst’ macht.
      MFG + schönen Tag der Arbeit noch,
      Dr. Webbaer

    • Eine kleine Modifikation der Allgemeinen Relativitätstheorie könnte die Geburt von Universen in Schwarzen Löchern ermöglichen wobei auch gleich die Inflationsphase (die Phase schneller Expansion zu Beginn) miterklärt wäre. Nikodei Poplawski von der Indiana Universität führt dazu eine abstossende Gravitationskomponente ein, eine sogenannte Torsion, die auf Spin 1/2 Partikel zurückgeht und sich nur bei sehr hoher Materiedichte auswirkt. Bei sehr hoher Materiedichte wirkt die Gravitation aufgrund dieses Mechanismus abstossend, was zu sehr schneller Expansion führt – etwas was man heute als Inflation bezeichnet und was im frühen Universum aus diversen Gründen stattgefunden haben muss.
      Nach dieser Theorie entstehen Universen – wohl auch unser eigenes – im Moment der Ausbildung eines schwarzen Loches während der Phase, in der die Massendichte einen bestimmten Wert überschreitet. Dann entstehen mittels Paareerzeugung neue Teilchen und gleichzeitig wächst die abstossende Kraft aus der Torsionskomponente der Gravitation sehr stark an, so dass die kollabierte Masse in eine schnelle Expansion übergeht. All dies geschieht innerhalb des Ereignishorizonts eines schwarzen Loches, so dass Ereignishorizonte im Grunde undurchdringliche Schleier sind, hinter denen ein von unserem Universum vollkommen separate Raumzeitwelt exisitiert.

  2. Dr. webbaer,
    …..small bang,
    natürlich darf es das. Der Phantasie sind keine Grenzen gesetzt. Das “Schwarze Loch” ist die logische Folgerung aus einer Theorie. Der Big Bang ist genau so eine Schlussfolgerung. Der einzige “Beweis” ist die Hintergrundstrahlung. eine andere Erklärung ist durchaus denkbar. Gehen wir mit dem Mainstream. Wer will kann sich da ja noch profilieren und das am Tag der Arbeit, da freut sich das Gehirn, dass es arbeiten darf.

    • Das „Schwarze Loch“ ist die logische Folgerung aus einer Theorie.

      Das sog. Schwarze Loch ist die physikalische Theorie oder Sichtenbildung erkennender Subjekte, aber nicht aller.

      Der Big Bang ist genau so eine Schlussfolgerung.

      Genau so vorgenommen, kommentierend: negativ, hier wird es metaphysisch und spekulativ bis extra-spekulativ.
      Die bestehende Nicht-Falsifizierbarkeit könnte klar sein.


      Die Logik hilft hier womöglich bei, ist aber tautologisch und keine Beweis-Methode.

      Am Rande notiert : Opi W hat sich schon vor vielen Jahren amüsiert, wenn “Spock” im falschen Moment ‘Logisch!’ gesagt hat.
      Das mit dem ‘Faszinierend!’ ging abär regelmäßig,
      MFG + schönen Tag der Arbeit noch,
      Dr. Webbaer

  3. Martin Holzherr,
    …..Universen innerhalb von Schwarzen Löchern,
    das toppt natürlich noch meine Phantasie. und wenn wir uns unser Universum dann noch von einem Schwarzen Loch umgeben wissen, dann gibt es auch eine Unendlichkeit in die Tiefe.
    Als Anhänger des Idealismus kann man sich freuen. Die Geisteswelt kennt keine Grenzen und keinen Raum und wirkt über alle physikalischen Grenzen hinweg. Man könnte also Gedankenübertragung zu Wesen in Metagalaxien herstellen , die man physikalisch niemals erreichen könnte.
    Jetzt können die ScineceFiktion Schriftsteller wieder aus dem Vollen schöpfen.

  4. Ich möchte mich euch anschließen, und auch eine Theorie über die Geschehnisse in schwarzen Löchern aufstellen. Da die Informationen niemals zugänglich sein werden (nichts kann aus den Schlund entkommen), musste ich die Adamszahl benutzen. Nach sehr heftigem Rechnen, kam ich auf die Zahl sieben (7). Hier exklusiv die Formel: Wurzel aus (Adamszahl plus sieben)

  5. Dr. Webbaer,
    ……..Schwarze Löcher anzweifeln,
    Wenn Sie in einem Wissenschaftsblog solche Gedanken äußern, ist das ein Sacrileg.
    Ich hatte geäußert, dass Schwarze Löcher auf die Liste der spekulativen Wissenschaft gehört.
    Da kam als Antwort eine lange Liste, was für sie spricht.
    Also, am Tag der Arbeit werden wir keine Heiligen Kühe schlachten, das wäre schlechter Stil.
    Zumal, was könnten die populärwissenschaftlichen Zeitschriften dann noch publizieren?

    • @ Kommentatorenfreund ‘Bote17’ :

      Direkt angezweifelt worden ist die Sinnhaftigkeit des physikalischen Konstrukts ‘schwarzes Loch’ hier nicht.
      Ein gewisses Schmunzeln mag dabei gewesen sein, ansonsten ist Dr. Webbaer ausgesprochen naturwissenschaftstreu, sozusagen; würde sich ansonsten hier auch nicht kommentarisch bemühen, beim hochgeschätzten hiesigen Inhaltegeber.

      Zuvörderst philosophisch könnte ein sog. Big Bang aber immer auch ein Small Bang sein; die sich im Einzugsbereich eines möglicherweise stattgefunden habenden Bangs befindlichen Erkenntnissubjekte werden womöglich immer, auf Grund der dann physikalisch festzustellenden Datenlage, auf die Idee kommen, dass ein Big Bang (vs. Small Bang) stattgefunden hat, vor ihrer Zeit.

      MFG
      Dr. Webbaer (der das mal mit dem Small Bang, auch für Unterhaltungszwecke, als Denkmöglichkeit bereit gestellt hat – hier nicht geprüft hat, ob dbzgl. bereits nachgedacht worden ist)

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